硅振荡器取代石英晶体的遥测采编器

邵森木，苗 军，蒙美海，卢一喆

（1．机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065；2．西安机电信息研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

我国的遥测技术应用始于20世纪50年代，引进了原苏联的遥测系统，主要用于导弹测量。20世纪80年代后期，我国开始研制新一代遥测系统，在体制上开始和国际接轨，采用了IRIG标准推荐的标准S频段和调制体制，即2 200～2 300 MHz和FM／PCM 体制，并生产出了相应型号的设备［1］。兵器遥测由于受常规弹药高过载（高加速度、高旋转和高速度）、小尺寸和低成本等因素以及微电子技术发展水平的制约，其遥测弹载设备在研制初期采用S频段（也可P频段）FM／FM体制，由于受体积所限S频段FM／FM体制遥测弹载设备所能测量的遥测通道有限，无法适应常规弹药的制导化、小型化、信息化和远程化的新测试需求。为适应新的测试需求常规弹药遥测系统采用了S频段PCM／F M体制。采用基于FPGA的PCM采编器的超远程炮弹遥测系统，在155 mm榴弹炮3—6号装药条件下成功对高速串行数字信号进行了测量。采用基于单片机的片上可编程PCM采编器的57 mm口径炮弹遥测系统在试验中达到了30 000 g过载，仅对几路模拟信号进行了测量，无法对高速串行数字信号进行测量。

随着常规弹药向信息化方向的进一步发展，弹药系统变得越来越复杂，体积越来越小，智能化程度越来越高，人们总是希望在真实发射装药的条件下利用遥测系统来了解弹丸的气动特性、制导和惯性装置的可靠性及弹药的动态性能［2］。弹道修正引信需要在真实发射装药的条件下测量GPS接收机和弹载计算机输出的高速串行数字信号，以及各种弹道环境测量传感器给出的模拟信号。为解决基于FPGA的PCM采编器无法适应高动态的发射环境问题，将无线电遥测系统中抗过载能力差的晶体振荡器用硅振荡器替代。

1 振荡器与PCM采编器

1．1 PCM采编器

PCM采编器的基本功能是完成对多路模拟混合信号的数据采集和对快速变化的数字信号进行接收、编码、形成遥测标准格式的PCM数据流，再送入调频发射机进行无线发送。信号调理模块主要为模拟量和总线信号两种独立的调理模块。模拟信号调理器主要完成模拟信号与A／D模数转换器之间的匹配工作。总线信号模块通过总线接口电路将弹上串行总线协议（如波特率、数据长度、数据帧头）送入串行总线解包模块，采集编码模块主要完成对模拟信号的采样保持、数字量化、数字信号编排和帧同步码的插入控制、数据合并转化并形成标准的PCM串行数据流。时钟振荡器是产生PCM采编器时序和控制信号的重要组成部分，也是系统中抗高过载的最薄弱环节。

基于单片机的PCM采编器原理框图如图1所示，包括：模拟多路选择器A MUX、A／D变换器、数据存储器、串行总线数字接口SPI等［3］。它的时钟振荡器集成单片机内部，可以承受10 000 g以上的过载，但是受单片机本身资源的限制，无法完成对高速串行数字信号进行接收、编码、形成遥测标准格式的PCM数据流。

图1 基于片上系统的PCM采编器原理框图Fig．1 Schematic of PCM acquisition coder based on SOC

基于FPGA实现的PCM采编器原理框图如图2所示。

图2 基于FPGA的PCM采编器原理框图Fig．2 Schematic of PCM acquisition coder based on FPGA

基于FPGA实现的PCM采编器具有高速串行数字信号测量能力，但是FPGA本身未集成时钟振荡器，PCM采编器须专门设计时钟源输入。一般采用晶体振荡器作为PCM采编器的时钟源。晶体振荡器抗过载性能较差，就使得基于FPGA实现的PCM采编器无法承受高过载的冲击。

1．2 振荡器

提高结构的抗高过载性能通常有5种技术途径［4－5］：1）选用高强度材料；2）加大结构承受力部位尺寸；3）改善结构件受力方向及载荷转移安装设计，使结构强度高的部位承受高冲击载荷；4）采用高强度的灌封材料和高密度灌封工艺灌封部件；5）加冲击减振装置，降低作用在结构上的载荷。但后几项对于基于FPGA实现的PCM采编器并不适用，出路在于选用抗高过载器件。

晶体振荡器是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。它是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。晶体振荡器的典型电源电压为5 V或3．3 V，功耗比较高，一般在100～300 m W。晶体振荡器为空封结构，由于晶体薄片必须有振动空间，不能采用塑封等加固措施，所以本身抗过载能力比较差，受冲击时晶体薄片易损坏而停振，最多能抗8 000 g过载。

硅振荡器是完全集成的RC振荡器，是最简单的时钟源。这些器件可产生规定频率的方波，可直接送入微控制器的时钟输入。LTC6930硅振荡器的电源电压为1．7～5．5 V，工作功耗在0．3～1．5 m W。硅振荡器并不依赖于机械共振特性来获得振荡频率，而是基于一个内部的RC时间常数，这样的设计使硅器件对于外部机械作用不敏感，具有与裸硅片相同的抗过载能力，达到2×105g［6］。与传统振荡器不同的是，没有裸露在外的高阻抗节点，这样使硅振荡器可以承受更大的湿度和EMI影响。

凌力尔特公司设计和制造门类广泛的高性能模拟集成电路，拥有先进的硅振荡器技术，它的固态硅振荡器或“即时型时钟”可采用单个电阻器或通过一个SPI或I2C接口输出一个宽广的频率范围，相比于晶体振荡器这些易于使用的IC拥有诸多优点，包括频率可编程性、抗震、小尺寸和低功耗。通用型硅振荡器可提供1 k Hz～170 MHz的频率。

LTC6930是凌力尔特公司（Linear Technology Corporation）生产的一个精密低功率硅振荡器，它的输出频率可在32．768 k Hz～8．192 MHz范围内灵活调整，频率误差小于0．09%（在25℃ 时的最大值），启动时间小于110μs（在所有频率条件下），1．7～5．5 V单电源操作，105μA典型电源电流（在32 k Hz，V＋＝3 V），490μA 典型电源电流（在8 MHz，V＋＝3 V），典型RMS周期抖动小于0．15%（在 V＋＝3 V）。

2 基于硅振荡器的PCM遥测采编器

如前所述，LTC6930硅振荡器在1．7～5．5 V均可正常工作，覆盖晶体振荡器的3．3 V或5 V，并且输入输出端口完全兼容。因此硅振荡器可以直接替代晶体振荡器，不需要改变电路，而具有更高的抗过载能力，更低的工作功耗。

采用可编程逻辑器件FPGA来设计PCM采编器实现对大容量高速串行数据的测量。根据遥测标准GJB21．2 A－92关于码速率的准确率和稳定度的规定：有用数据在任何时间段内码速率的实测值与标称值之差不大于标称值的1%。码速率是通过时钟信号分频得到的，在FPGA分频误差基本为零，因此只要时钟振荡器的实测值与标称值之差不大于标称值的1%，即时钟振荡器的频率误差小于等于1%就能满足遥测标准GJB21．2 A－92关于码速率的准确率和稳定度的规定。晶体振荡器频率稳定度范围一般为不大于±100 pp m（±0．01%）；硅振荡器LTC6930的频率误差为小于0．09%，比晶体振荡器约差一个数量级。但是，晶体振荡器和硅振荡器LTC6930作为PCM采编器的时钟源在频率准确率和稳定度都能满足GJB21．2 A－92的要求。针对基于FPGA实现的PCM采编器中抗高过载薄弱环节，用LTC6930硅振荡器替代晶体振荡器增强器件本身的抗过载能力，使PCM采编器能够在恶劣环境下可靠工作。

将信号调理模块和采集编码模块装入超硬铝制作的铝盒用发泡材料进行整体灌封，使系统能够在恶劣环境下可靠工作，灌封后的遥测舱如图3所示。

图3 遥测舱灌封后外形图Fig．3 The shape diagram of telemetering cabin packaged by epoxide resin

3 遥测试验

在灌封后对信号调理和采集编码模块进行了3次23齿马歇特锤击试验。对锤击试验过程的编码器采集的GPS模拟器发送的数据（数据更新率为10 Hz）进行分析得：整个试验过程GPS数据每隔100 ms更新一次，时间点连贯，没有丢失任何一包数据。由此得出基于硅振荡器的PCM遥测采编器能够承受高冲击过载。

在122 mm底凹弹GPS遥测靶场飞行试验中，接收的GPS串行数据包包含有多路信息：帧头、状态字、分钟、秒、日、月、年、维度、经度、高度、速度、轨迹角、北向速度、东向速度、天向速度、水平精度因子、垂直精度因子、收星数、校验和、结束字。图4是使用96式122 mm榴弹炮全装药发射底凹弹GPS靶场飞行试验中遥测接收并解算出GPS数据包的部分信息。

图4 GPS数据包的部分信息Fig．4 Parts of infor mations that the GPS data wrap

图5 是弹在整个飞行过程中GPS测量的经度、纬度、海拔高度和速度变化曲线，图中时间轴上的零点表示发射时刻。在试验中落区工作人员利用遥测数据解算出的GPS串行数据包中最后一包数据中的经纬度，依据这一坐标信息顺利地找到了底凹弹的落弹坑。

试验结果表明：经过改进的无线电遥测系统能够耐受122 mm底凹弹全装药条件下高过载（大于14 000 g）、高旋转（约13 000 r／min）和强烈冲击振动的膛内恶劣环境及高速飞行和高旋转的外弹道环境，同时对模拟信号和数据总线信号进行测量，成功实现了弹道修正引信的多路遥测。

在155 mm底排弹弹道修正引信遥测靶场飞行试验中，在10号装药条件下成功地对模拟信号和弹上计算机给出的数据总线信号进行了测量。图6是弹在整个飞行过程中温度变化曲线。

图5 GPS测量的经度、纬度、海拔高度和速度变化曲线Fig．5 The GPS measure change curve of longitude，degree of latitude，elevation height and speed

图6 温度变化曲线Fig．6 The temperature changes curve

4 结论

本文将无线电遥测系统中抗过载能力差的晶体振荡器用硅振荡器替代，硅振荡器适应电源电压范围1．7～5．5 V，覆盖晶体振荡器的3．3 V或5 V，并且输入输出端口完全兼容，因而直接替换而无需改变电路，并且降低了功耗。试验成功表明：采用该方法的PCM采编器能耐高过载，遥测系统能够经受全装药条件下火炮发射的高动态环境，实现对弹道修正引信模拟信号和数据总线信号的多路遥测。高过载无线电遥测的试验技术和平台正在为并将继续为兵器智能化、信息化弹药，小型制导武器的发展提供可靠的工程化试验手段。硅振荡器可以推广应用到其他需要使用时钟振荡器的高过载领域。

［1］白学勤，解英健．弹载遥测传输设备回顾与展望［J］．遥测遥控，2007，28（S0）：21－25．BAI Xueqin，Xie Yingjian．Retrospect and prospect of telemetr y trans mi for r ocket carrier of missile jour nal of telemetry［J］．Journal of Telemetry，Tracking and Comman，2007，28（S0）：21－25．

［2］孙发鱼．兵器遥测技术的发展趋势和展望［J］．计算机测量与控制，2008，16（10）：1 371－1 372．SUN Fayu．Ordnance telemetry develop ment prospect and tendency［J］．Co mPuter Mesurement＆Control，2008，16（10）：1 371－1 372．

［3］纪立红，蒙美海，邵森木，等．基于片上系统的数据采集编码器［J］．探测与控制学报，2010，32（6）：30－32．JI Lihong，MENG Meihai，SHAO Senmu，et al．Data acquisition coder based on system on chip［J］．Jour nal of Detection ＆ Control，2010，32（6）：30－32．

［4］王正平．冲击载荷下减振系统的优化设计［D］．北京：北京理工大学机电工程学院，2002．

［5］《振动与冲击手册》编辑委员会．振动与冲击手册［M］．北京：国防工业出版社，1992．

［6］徐鹏．裸硅片及芯片的抗高g值冲击性能［C］／／中国力学学会学术大会．北京：中国力学学会，2007．